Fundamentos de Refrigeração Industrial. Aula 1 Introdução à Refrigeração Industrial

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1 Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à Refrigeração Industrial Profa. Karla karla@utfpr.edu.br Semestre

2 Hoje Aula 1A: Introdução à Refrigeração Industrial Aula 1B: Revisão Refrigeração e cadeia do frio Sistemas e Ciclos de Refrigeração Por que aprender refrigeração Equipamentos

3 Aula 1A 1 Compreender Refrigeração e Cadeia do Frio

4 Resfriar x Congelar (Temperaturas inferiores ao Ponto de Congelamento) T < 15 C Resfriados: ~0 C < T < 15 C (Temperaturas menores são para Criogenia) Congelados : ~-18 C > T > ~-70 C

5 Temperratura (ºC) UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Cadeia do Frio: Resfriar o produto desde a colheita e mantê-lo frio ao longo de toda a sequência até o consumo final. Planta de Processamento Transporte para o Centro de Distribuição Estocagem/ Distribuição/ Carregamento Entrega para Mercados Vendas no Mercado Tempo (Pacitti, N.,Sterling Solutions LLC para SQF Institute, 2006.) It is the ability to deliver on the quality promise

6 2 Convencendo Por que aprender (e bem!) isso?

7 OPORTUNIDADE!!! De fato, a única coisa que atrasa o crescimento da indústria de refrigeração atualmente é a falta de um fornecimento adequado de mão de obra especializada. (Dossat, R. J., 2004)

8 Cenário Ideal Mundial Nacional Crise dos Alimentos "A palavra de ordem deste governo para combater a inflação e a crise americana é aumentar os investimentos em produção. (Presidente Lula - Folha Online em 02/08/ :23h) A meta, segundo ele, é dobrar a produção da agricultura familiar até CRISE CRIES

9 Celulose/Papel 7,8% Açúcar 9,0% Produtos de Madeira 7,0% Café 6,6% Tabaco 3,9% Produtos de Couro 3,8% Couro 3,2% Suco de Laranja 2,5% Existem produtos em que as perdas chegam a mais de 40% do total produzido. Laudizio Marquesi Consultor logístico da Consulog Consultoria Carnes 18,3% Principais Produtos Complexo Soja 21,7% Outros 16,1% ealidade Brasileira Produto % Produção Abacate 30 Abacaxi 24 Banana 40 Caju 40 Laranja 22 Uva 25 Maçã 10 a 15 Papaia 30 a 40 Manga 30 a 40

10 O Brasil no mundo

11 Você usará Refrigeração! Aplicações da Engenharia: Dimensionamento/ Projeto de Instalações Instrumentação/ Automação/ Controle Consultoria/ Assessoria Eficiência Energética Logística Científico: Pesquisa (Pura ou Aplicada) Desenvolvimento Tecnológico Comercial Nutricional Educacional

12 Compromisso da Engenharia de Alimentos Desenvolver processos de conservação; Disponibilização de alimentos : Entre-safras; Evitar especulação; Ampliação do Shelf-Life; Redução de perdas; Manutenção da qualidade do produto e do processo; Respeito a Legislação e Higiene; Desenvolvimento e aplicação de técnicas : Conservação; Estocagem / acondicionamento ; Distribuição

13 RefrigerAÇÃO Processo de conservação que mais se aproxima do produto fresco.

14 Classificando as Aplicações: Refrigeração Doméstica; Refrigeração Comercial; Refrigeração Industrial: Conservação; Processamento; Tratamento. Refrigeração de Transporte: Terrestre: o Rodoviário; o Ferroviário. Marítimo; Aéreo. Condicionamento de Ar

15 APS (5% da nota final!) Carga Térmica de um ciclo frigorífico Sistema frigorífico real Parâmetros reais

16 Reviram??? Fizeram a 1ª Lista de Exercícios Lembrando que: 10% Trabalho será composto por Listas de Exercícios 2,5 % Relatórios 2,5 % Seminários 5,0 %

17 Introdução aos Conceitos Básicos Cap. 1 Çengel Termodinâmica e Energia Dimensões e Unidades Sistemas e Volumes de Controle Propriedades de um Sistema Densidade e Densidade Relativa Estado e Equilíbrio Processos e Ciclos Temperatura e Lei Zero da Termodinâmica Pressão Técnicas de Solução de Problemas

18 Energia, Transferência de Energia e Análise Geral da Energia Cap. 2 Çengel Formas de Energia Transferências de Energia: Calor e Trabalho Formas Mecânicas de Trabalho Primeira Lei da Termodinâmica Eficiência de Conversão de Energia

19 Propriedades das Substâncias Puras Cap. 3 Çengel Substância Pura Fases de uma Substância Pura Processos de Mudança de Fase de Substância Pura Diagramas de Propriedades para Processos de Mudanças de Fase Tabelas de Propriedades Equações de Estado do Gás Ideal

20 Análise da Energia dos Sistemas Fechados Cap. 4 Çengel Trabalho de Fronteira Móvel Balanço de Energia em Sistemas Fechados Energia Interna Entalpia Calores Específicos

21 Termodinâmica: Ciência da energia. Therme = Calor Dynamis = Potência Inicialmente converter calor em potência. Hoje aspectos da energia e suas transformações.

22 As Leis da Termodinâmica UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Lei Zero da Termodinâmica : Dois corpos a diferentes temperaturas, quando em contato entram em equilíbrio térmico. Transferência de Calor Natural Lado Frio LadoQuente CONDUÇÃO 1ªLei da Termodinâmica: Lei da Conservação de Energia Num ciclo termodinâmico a variação da energia interna é dada pela diferença entre a quantidade de calor trocada com o meio e o trabalho realizado no processo. 2ªLei da Termodinâmica: A energia tem qualidade e quantidade, e os processos reais ocorrem na direção da qualidade decrescente da energia.

23 Termodinâmica

24 Conceitos Essenciais Sistema o Aberto (ou Volume de Controle) - Volume fixo Calor entra o Fechado (Massa de Controle) - Massa fixa Trabalho externo realizado Vizinhança Fronteira o Fixa o Móvel Fronteira do sistema (aberta) Sistema Isolado: nem energia atravessa fronteira!

25 Conceitos Essenciais Propriedade = característica da matéria que pode ser medida ou calculada (massa, volume, energia, pressão, temperatura). Extensiva: dependem do tamanho ou da extensão de um sistema. Intensiva: função da posição e do tempo, mas mas independem do tamanho ou extensão do sistema. Viscosidade Condutividade Térmica Módulo de elasticidade Coefic. Expansão térmica Reversibilidade Elétrica Velocidade Elevação m V T P Massa volumétrica ( ) = m/v [kg/m3] m ½m V ½V T T P P Volume específico V/m = = 1/ Densidade relativa ( s ) s = / água (sendo água = 1000 kg/m 3 ) Regime Permanente = nenhuma propriedade varia num dado tempo. Estado = conjunto de propriedades da matéria num dado tempo. Estado 2 Processo = transformação de um estado para o outro. Estado 1

26 Pressão Pressão Pressão Pressão UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Diagrama de Estado Sólido Líquido (sub-resfriado) Pto Triplo Vapor (superaquecido) Temperatura Transformações Cíclicas = conjunto de transformações sofridas, ao fim das quais retorna ao estado inicial (T, P,, h, s). Temperatura Temperatura Temperatura

27 Diagramas para obtenção das propriedades Alguns diagramas que correlacionam as Propriedades termodinâmicas dos Refrigerantes: Pressão-Volume específico Entalpia-Entropia Temperatura-Entropia

28 Pressão UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Diagrama Pressão-Entalpia Justificativa: - É o mais utilizado para ver as propriedades termodinâmicas (P, T, v, h, s) de refrigerantes. - Inclui as várias propriedades num mesmo diagrama. Relembrando: h = u + P*v Saturação: móleculas do líquido escapam para o gás até que o gás fique cheio (saturado). Ponto Crítico: propriedades líquido-vapor são idênticas Só tem líquido! Diagrama de Pressão por Entalpia Só tem vapor! Líquido Sub-resfriado (ou Comprimido) Mistura líquido-vapor Vapor Superaquecido Entalpia (Btu/lb ou kj/ kg) Base de massa

29 Tabelas e Diagramas de Propriedades Termodinâmicas Informações Fornecidas: - Entalpias - Temperatura de saturação para uma dada pressão - Pressão de saturação para uma dada temperatura - Volume específico do vapor - Entropia do vapor - Inclui as várias propriedades num mesmo diagrama. Nos diagramas P-h as informações são mais detalhadas na região de vapor superaquecido.

30 Conceito simplista das formas de energia Calor (Q) =energia que flui pela fronteira devido T. Trabalho (W) =não pode ser armazenado, é função da trajetória. Entalpia (h) =combinação de variáveis (h=u+p*v) Entropia (s) = nível de desordem do sistema.

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32 Termodinâmica e Transferência de Calor Lei Zero da Termodinâmica : Dois corpos a diferentes temperaturas, quando em contato entram em equilíbrio térmico. Transferência de Calor Natural Lado Frio LadoQuente CONDUÇÃO 1ªLei da Termodinâmica: = Num ciclo termodinâmico a variação da energia interna ( U) é dada pela diferença entre a quantidade de calor (Q) trocada com o meio e o trabalho realizado no processo. Lei da Conservação de Energia U = Q - W

33 Exemplo de processo no diagrama PH UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Pressão Constante: 1atm 1atm 1atm 1atm a 1atm b c d e Líquido Sub-resfriado Q Líquido Saturado Q Líquido-Vapor Q Vapor Saturado Q Vapor Superaquecido P a b c d e h a h b h c h d h e h[kj/kg]

34 Introduzindo especificamente a Refrigeração

35 Isolante UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Refrigerando com água a 0 C: Equilíbrio: T água T câmara Ãgua a 0 C Princípios da Refrigeração Mecânica Isolante Câmara a 30 C Equilíbrio: T gelo cte até derreter tudo T câmara Gelo a 0 C Isolante Câmara a 30 C Refrigerante Mudança de fase: Vaporização (líquido-vapor) dreno Vantagens do uso de refrigerantes (líquidos em vaporização): - Processo de vaporização + fácil de controlar (começa e para à vontade); - T vaporização determinada pelo controle da P a qual o líquido vaporiza; - Possível recolher o vapor e condensá-lo novamente fechando o ciclo. Escape do gás Vapor na P atmosférica Líquido em Ebulição a -5.8 C Câmara a 4 C R-12 dreno Evaporador A utilização de uma válvula possibilitará o controle da pressão de vaporização do líquido refrigerante!

36 1) P vapor refrigerante + baixa que P atmosférica : Vapor P=0.8atm Líquido em Ebulição a -38 C Princípios da Refrigeração Mecânica Câmara a -25 C Refrigerante-12 Isolante 2)Repondo o líquido que evapora: Líquido Refrigerrnte (baixa P) Conjunto de válvula agulha Líquido refriger. (alta P) Vapor Vapor 3)Recuperando o vapor do refrigerante: Conjunto de válvula agulha Líquido refriger. (alta P) Líquido Ref. (baixa P) Condensador bomba

37 Refrigeração Mecânica Recapitulando as partes do circuito de refrigeração mecânica : Compressor Eleva a T e P do fluido (vapor saturado) possibilitando a troca térmica com o meio (agente de condensação) Refrigeração Contínua: Obtida pelo Ciclo Termodinâmico onde se faz um fluido (Refrigerante), passar por uma série de processos, retornando ao estado inicial.

38 Refrigeração Mecânica

39 c-d: Condensação P e V - Alta P, perde mais calor - V e T fluido passa de gás para liq. - Fluido líquido. Ciclo Frigorífico visto no Diagrama Pv b-c: Resfriamento Isobárico -No Trocador de calor o fluido começa a perder calor -Como P é alta e constante, T e V diminuem Isoentrópica d-e: Expansão Adiabática Reversível - Líquido a Alta P expande (tubo capilar) - Rápida (perda desprezível calor) Adiabático - P e T parte do Líquido se vaporiza - gotas de líquido em vapor a baixa pressão. NOTA: a baixa pressão após o tubo capilar se deve a pressão de sucção do compressor Isoentrópica d c b x x x a-b: Compressão Adiabática Reversível - P e V -Rápida (perda desprezível de calor) Adiabático - Fluido Gasoso o processo todo x e a x v 5 v 4 v 3 v 2 v 1 e-a: Vaporização Isobárica -P é baixa e constante no evaporador - Roubo do Calor do meio - Vapor a baixa pressão

40 Pressão UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Ciclo Frigorífico - Refrigeração por Compressão Sub-resfriado Condensação Superaquecido Líquido +Q +Q Válvula de expansão - W Condensador Mistura Saturada Trocador de Calor Compressor + W Evaporador Gás -Q Entalpia Teremos estados líquido e gasoso no ciclo: Compressão/Condensação Gás-Líquido Expansão / Evaporação Líquido para Gás.

41 Máquinas Térmicas x Máquinas Frigoríficas Espontâneas! (Locomotiva, vento) Precisam realizar trabalho! (Refrigeradores)

42 Ciclos Termodinâmicos Ciclo de Carnot: - Ideal; - Dois níveis de temperatura ( eficiência máxima) 1 Ciclo Ideal Entendê-lo é + fácil! P A IV Q quente I W mecânico B II T quente D III Q frio C T frio V

43 Vamos rever de uma nova perspectiva? Processo = Mudança de Propriedades Projetar dispositivos depende de conhecer o comportamento das propriedades Físicas das substâncias. Fonte: Prof. Vicente Luiz Scalon Termodinâmica Avançada - FEB 43

44 Substância Pura Definição: aquela que tem composição química invariável e homogênea pode haver presença de mais de uma fase Mistura de gases pode ser considerada uma substância pura em determinados casos Nesta etapa inicial, estudo se limitará ao efeito da compressibilidadade (variação de volume) mas outras propriedades têm comportamento similar 44

45 Fases Sólida Líquida e Vapor Fase Sólida Exemplo: estrutura do gelo Fase Líquida Exemplo: estrutura da água Fase Vapor Exemplo: estrutura vapor d'água 45

46 Mudança de Fase Água - Vapor 46

47 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Influência da Pressão no Processo de Mudança de Fase 47

48 Curva de Evaporação Cada pressão tem uma temperatura de evaporação Para 1atm => 100 C Para 31,2 kpa => 70 C Para 198,5 kpa => 120 C Curva de Evaporação Regiões Líquida e Gasosa 48

49 Processos Físicos Processo à temperatura constante (A-B) Processo à pressão constante (C-D) 49

50 Diagrama Geral de Fases Evaporação (parte do diagrama) Diagrama completo Curvas de Mudança de Fase Pontos característicos 50

51 Processos com Mudança de Fase G H Sublimação (A-B) E F Passagem pelo ponto triplo (C-D) A C B D Transformação sólido-líquidovapor (E-F) Transformação supercrítica (G-H) 51

52 Diagramas de fases diferenciados Líquido Diagrama para a água englobando as diversas fases do gelo sólido Vapor Diagrama para dióxido de carbono (CO 2 ) Gelo 52

53 Propriedades Independentes de uma Substância Pura Pegunta: Quantas propriedades são necessárias para definir o estado de uma substância pura? Respostas: fora das regiões de mudança de fase: duas (2) propriedades definem o estado termodinâmico. na curva de mudança de fase: o conhecimento do fato e uma (1) propriedade define o estado. 53

54 UNIVERSIDADE Gráficos TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ associados ao estado termodinâmico Pelo Apresentado uma propriedade termodinâmica é sempre função de duas outras propriedades. Por exemplo: Para representá-lo é necessário uma superfície tridimensional. 54

55 As diversas regiões da Superfície 3D P T V 55

56 As UNIVERSIDADE regiões TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ de Mudança de Fase P T V 56

57 Processos UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ a temperatura constante e pressão constante Processo a a Temperatura Pressão Constante 57

58 Projeção UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL da DO PARANÁ Superfície em P- T Transformação Sólido-Líquido (Fusão) Transformação Líquido Vapor (Evaporação) Transformação Sólido Vapor (Sublimação) 58

59 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA Projeção FEDERAL DO PARANÁ em T-v Região de maior interesse neste curso Vapor ou Gás Sólido 59

60 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA Projeção FEDERAL DO PARANÁ P-v Região de maior interesse neste curso Gás Sólido Vapor 60

61 A região UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA de FEDERAL DO mudança PARANÁ de fase Na região de mudança de fase P e T são propriedades dependentes O processo de mudança de fase ocorre gradualmente. É preciso uma propriedade indicando a parcela que já sofreu mudança de fase Esta propriedade é denominada por TÍTULO e representada na forma: 61

62 T [ o C] UNIVERSIDADE Gráfico TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Real T x v 400 Fusão Vaporização v [m 3 /kg]

63 UNIVERSIDADE O TECNOLÓGICA uso FEDERAL DO PARANÁ de Tabelas Termodinâmicas Os gráficos para que possam ser utilizados na avaliação das propriedades precisam ser muito grandes para dar uma certa precisão. O mais comum em engenharia é usar tabelas ou softwares capazes de avaliar as propriedades do fluido. Assim é preciso desenvolver uma boa capacidade de trabalho com tabelas.

64 Tabelas com propriedades Nos livros podem ser encontradas tabelas para diversos fluidos: Água Amônia Nitrogênio Metano Freon 12 ou R12 Freon 22 ou R22 Refrigerante 134a ou R134a

65 Interpolação UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ de Propriedades Quando não se encontra diretamente a propriedade para as condições desejadas é necessário realizar uma interpolação. v v2 vint v1 T1 Tin t T2 T

66 Outras propriedades físicas relevantes Existem, além do volume específico algumas outras importantes propriedades das substâncias: Energia interna (U ou u) Entalpia (H ou h) Entropia (S ou s) Função de Gibbs (G ou g), etc

67 Avaliando as propriedades As propriedades podes ser avaliadas através de Tabelas e Gráficos da mesma forma que o v. Inclusive o comportamento geral é muito parecido dos gráficos. no processo de mudança de fase o cálculo do título segue as mesmas regras:

68 Relações entre as propriedades Uma relação de fundamental importância é a relação entre a entalpia h e a energia interna u Esta relação é tão importante que algumas tabelas fornecem somente uma das duas propriedades, u ou h, sendo a outra obtida a partir da relação termodinâmica acima.

69 Exercício 1) Para a sunstância água determine as propriedades termodinâmicas usando as opcões entre parênteses: v (tabelas, diagrama específico e generalizado) h e u (usando tabelas) x nas condições de: P=4,8 bar x=0,3 P=6 bar e T=200 C

70 Dúvidas?

71 Teste seu conhecimento A lista de exercícios, vai auxiliar você na verificação dos conhecimentos necessários em refrigeração!

72 Lista de Exercícios 2 1. O gelo é uma substância pura? Por quê? 2. Qual a diferença entre líquido saturado e líquido comprimido? 3. Qual a diferença entre vapor saturado e vapor superaquecido? 4. Existe alguma diferença entre as propriedades intensivas do vapor saturado a uma determinada temperatura e as do vapor em uma mistura saturada à mesma temperatura? 5. Existe alguma diferença entre as propriedades intensivas do líquido saturado a uma determinada temperatura e as do líquido em uma mistura saturada à mesma temperatura? 6. Se a pressão de uma substância aumenta durante um processo de ebulição, a temperatura também aumentará ou permanecerá constante? Por quê? 7. Por que a temperatura e a pressão são propriedades dependentes na região de mistura saturada? 8. Qual é a diferença entre o ponto crítico e o ponto triplo? 9. É possível ter vapor d água a - 10 C? 10. Em que tipo de panela um determinado volume de água ferve a uma temperatura mais alta: em uma panela alta e estreita ou em uma panela baixa e larga? Explique.

73 Continuação 1 da Lista de Exercícios Em 1775, o Dr. William Cullen fez gelo na Escócia evacuando o ar de um tanque da água. Explique como funciona esse dispositivo e discuta como tornar o processo mais eficiente. 12. O ponto de referência arbitrado para as propriedades de uma substância tem algum efeito sobre a análise termodinâmica? Por quê? 13. O que é título? Ele possui algum significado nas regiões de vapor superaquecido? 14. Que processo exige mais energia: vaporizar completamente 1 kg de água líquida saturada à pressão de 1 atm ou vaporizar completamente 1 kg de água líquida saturada à pressão de 8 atm? 15. Na ausência de tabelas de líquido comprimido, como se determina o volume específico de um líquido comprimido a uma determinada P e T? 16. Complete esta tabela para H 2 O: T ( C) P (kpa) v Descrição da fase (m 3 /kg) 50 4, Vapor saturado

74 Continuação 2 da Lista de Exercícios Complete para a H 2 O 18. Complete para a H 2 O T ( C) P (kpa) h (kj/kg) x Descrição da fase 200 0, , ,2 T ( C) P (kpa) v (m 3 /kg) Descrição da fase Vapor saturado Um tanque rígido de 1,8 m3 contém vapor d água a 220 C. Um terço do volume está na fase líquida e o restante sob a forma de vapor. Determine (a) a pressão do vapor d água; (b) o título da mistura saturada e (c) a densidade da mistura. Vapor d água Resposta: (a) 2320 kpa (b) 0,0269 (c) 287,8 kg/m 3

75 Continuação 3 da Lista de Exercícios Um arranjo pistão-cilindro contém 0,85 kg de refrigerante 134a a -10 C. O pistão, que está livre para se movimentar, possui uma massa de 12 kg e um diâmetro de 25 cm. A pressão atmosférica local é de 88 kpa. Calor é transferido para o refrigerante 134a até que a temperatura atinja 15 C Determine (a) a pressão final, (b) a variação do volume do cilindro e (c) a variação da entalpia do refrigerante 134a. Resposta: (a) 90,4 kpa (b) 0,0205 (c) 17,4 kj/kg 21. O que é e como funciona uma Máquina Térmica? E uma Máquina Frigorífica? Qual a diferença termodinâmica fundamental entre elas do ponto de vista de espontaneidade do processo? Faça um esboço de ambas comparando seus funcionamentos. 22. Considerando uma mistura bifásica líquido-vapor, que se consiga medir a temperatura, quais seriam as propriedades passíveis de se encontrar (defina se dependeria de algo mais ou não)? Atenção: Especifique como encontrar as propriedades parciais (de cada fase) e as totais (da mistura).

76 Continuação 4 da Lista de Exercícios O que é um ciclo termodinâmico? Esboce num diagrama de pressão por volume específico o ciclo de Carnot especificando as entradas e saídas de energia. Como ficaria nesse diagrama um ciclo frigorífico? E o ciclo frigorífico num diagrama de pressão por entalpia? 24. Quais são as leis termodinâmicas fundamentais na refrigeração? (Cite a lei, explique a que se refere e correlacione com a refrigeração). 25. Um engenheiro alega que criou um ciclo de refrigeração utilizando água como fluido de trabalho. Avalie essa invenção. Utilize o diagrama impresso na próxima página para propor as operações necessárias neste ciclo, supondo valores para as diversas etapas desse ciclo de refrigeração proposto e discutindo a possibilidade dos supostos valores. 26. Explique e exemplifique os conceitos termodinâmicos de: a.estado; b.sistema aberto, fechado e isolado; c.volume de controle; d.diagrama de estado; e.propriedades extensiva e intensiva.